Einsatz von Virtualisierungstechnologien in der IT-Infrastruktur eines Unternehmens

Diplomarbeit von Jingli Xu

Textprobe:

Kapitel 3.1, Was ist Virtualisierung:

Die Komplexität der IT-Infrastruktur wächst mit ihrer Größe, dagegen sinkt aber die durchschnittliche Wirtschaftlichkeit. Dennoch wünschen sich die CIOs und IT-Manager dieselbe Effizienz und Produktivität bei dem gleichen, oder sogar niedrigeren Budget im Vergleich zu Vorjahr. IT-Zuständige sind konfrontiert mit sinkendem Personal und sinkenden Administrations- und Wartungskosten. Die Kosten für Räume, Strom, HVAC sowie Verkabelungen müssen ebenfalls reduziert werden. All dies gleichzeitig mit besserer Kontinuität, Verfügbarkeit und Sicherheit zu ermöglichen, ist auf alle Fälle eine große Herausforderung. Nun versucht man all diese Probleme durch die Einführung von Virtualisierungstechnologien zu lösen. Virtualisierung ist heutzutage ein großes Thema auf den Technologienkonferenzen geworden. Zahlreiche Technologienanbieter versuchen zu beschreiben, dass ihre Produkte die Virtualisierungstechnologien unterstützen und die beste Lösung dafür anbieten.

Der Begriff „Virtualisierung“ (auf Englisch Virtualization) selber ist eine allgemeine Bezeichnung bezogen auf eine Art Abstraktion von Ressourcen. Damit werden die physikalischen Merkmale der Rechenressourcen vor dem Weg versteckt, durch den andere Systeme, Anwendungen oder Endnutzer mit diesen Ressourcen interagieren. Durch Virtualisierung wird ermöglicht, dass einzelne physische Ressourcen (wie z.B. ein Server, ein Betriebssystem, eine Anwendung oder ein Speichergerät) als mehrfache logische Ressourcen erscheinen, oder mehrfache physische Ressourcen (wie z. B. Speichergräte oder Server) als eine einzelne logische Ressource. Das ist die Technologie für ein funktionales Management von Systemen und Ressourcen ohne Einschränkung der physischen Ausprägung und Lokalisierung.

Aufgrund dieser Eigenschaft ist Virtualisierung ein effektives Verfahren zur Zusammenfassung und Verteilung von IT-Ressourcen, um die dynamischen Geschäftsanforderungen zu unterstützen und Virtualisierung ermöglicht die Transformation zur anpassungsfähigen IT-Infrastruktur.

Allerdings ist Virtualisierung keine neue Erfindung. Als der Pionier im Bereich Virtualisierung hat es IBM schon in den 1960er Jahren ermöglicht, mehrere Betriebssysteme auf ihren Mainframes gleichzeitig auszuführen. Im Jahr 1972 wurde es auf ihrer berühmten Mainframe VM/370 realisiert, virtuelle Maschinen mit verschiedenen Betriebssystemen unter Aufsicht eines Kontrollprogramm -heute als Virtual Maschine Monitor (VMM) oder Hypervisor bezeichnet - gleichzeitig auszuführen. Die Motivation dafür war eine effiziente Ressourcennutzung. Diese Art von Virtualisierung wird auch als Plattform-Virtualisierung bezeichnet. Im Laufe der Zeit haben die Begriffe Virtualisierung sowie virtuelle Maschine jedoch zusätzliche Bedeutungen erworben.

Die Idee von virtuellen Maschinen kam aus der Bemühung um effiziente Nutzung der Hardware-Ressourcen. Durch Entwurf virtualisierungsfähiger Hardware wurden viele Performanceherausforderungen erfüllt. Aber mit der Entwicklung preiswertiger Rechenbetriebsmittel und einer starken Verbreitung der massenproduzierten Hardware war das Thema Virtualisierung langsam veraltet. Das hat sich auch in der x86-Architektur reflektiert. Während der zunehmenden Komplexität der Softwaresysteme ist es üblich geworden, dass eine einzelne Anwendung einen eigenen Server besitzt, um den Konflikt mit anderen zu vermeiden. Dadurch entsteht aber ein neues Problem, nämlich Server-Sprawl. Die Nutzung der Serverkapazität ist immer ineffizienter geworden. Allgemein erkannt ist die durchschnittliche Nutzungseffizienz von Windows-Server lediglich zwischen 5% bis 15%. Durch Einführung neuer Chip-Technologien wird diese noch niedriger. Außerdem werden noch andere Kosten wie Energiekosten und Raumverschwendung verursacht. Das alte Problem ineffizienter Nutzung der Hardware-Ressourcen kehrt wieder zurück.

Es gibt viele Konzepte und Technologien im Bereich Hardware und Software, die diesen Begriff verwenden. Bespiele dafür sind u. a. Hardware- und Software-Partitionierung, teilweise oder komplette Maschinensimulation, Emulation, Time-Sharing, Quality-of-Service. Diese werden für Endgeräte, Server, Betriebssysteme, Anwendungen sowie Netzwerke eingesetzt. Allgemein werden drei Prinzipien dafür unterschieden: Plattform-, Anwendungs- und Betriebsmittel-Virtualisierung, die in folgenden Abschnitten vorgestellt werden.

Zur Realisierung von System-Virtualisierung gibt es unterschiedliche Methoden, z.B. durch Partitionierung von Hardware und Software, Time-Sharing, teilweise oder komplette Maschinen-Simulation, Emulation usw.

Plattform-Virtualisierung:

Typischerweise wird durch Plattform-Virtualisierung auf einem Host-System eine Steuer-Software gestartet, die ein Rechnersystem (virtuelle Maschine) simuliert und auf der eine (Gast-) Software abläuft. In meisten Fällen ist diese Gast-Software ein Betriebssystem. Die Voraussetzungen dafür sind laut Goldenberg: zwei Prozessormodi; eine Methode für nicht privilegierte Programme privilegierte Systemroutinen aufzurufen; Mechanismen für Speicherschutz und -zuteilung wie Paging oder Segmentierung; Asynchrone Interrupts (I/O).

Die Bedeutung der Begriffe „Virtualisierung“ und „Virtueller Maschine“ ist im Laufe der Zeit erweitert worden. Entsprechend der Virtalisierungsformen gibt es verschiedene Arten von VMs, die in folgenden Abschnitten entsprechend dem jeweiligen Virtualisierungsansatz vorgestellt werden:

Hardware Virtuelle Maschine: Durch System-Virtualisierung werden Hardware-VM generiert, die der ursprünglichen Bedeutung von „VM“ entsprechen. Dabei werden eine oder mehrere von einander getrennte virtuelle Ausführungsumgebungen auf einem einzelnen Computer hergestellt, in denen jeweils ein eigenes Betriebssystem auf einer entsprechenden virtualisierten Hardware ausgeführt wird.

Applikation-Virtuelle-Maschine: Diese Art von VM entspricht der Anwendungsvirtualisierung. Dabei wird eine Ausführungsumgebung durch eine Software hergestellt. Die virtuelle Maschine bietet einen einheitlichen Befehlssatz auf jeder Plattform an, auf die sie portiert worden ist. Dadurch wird die auszuführende Anwendung selber ohne Portierung auf verschiedenen Plattformen (z.B. MS Windows, Linus, Mac OSX) lauffähig, ein Beispiel dafür ist SUN JRE (Java VM).

Virtuelle Betriebsumgebung: Diese Art von VM entspricht der Betriebssystem-Virtualsierung. Dabei werden verschiedene sogenannte „Userland-Umgebungen“ auf einem Betriebssystem- Kernel ermöglicht. Diese Technologie wird intensiv von Webhosting-Unternehmen eingesetzt, um ihre Hardware-Ressourcen flexibler und effizienter zu verwalten. Beispiele dafür sind Free-BSD Jails, Linux-VServer, OpenVZ, Virtuozzo, Solaris Container.

Es gibt eine Reihe verschiedener Ansätze zur Realisierung von Plattform-Virtualisierung, die anschließend vorgestellt werden.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 3.1, Was ist Virtualisierung:

Die Komplexität der IT-Infrastruktur wächst mit ihrer Größe, dagegen sinkt aber die durchschnittliche Wirtschaftlichkeit. Dennoch wünschen sich die CIOs und IT-Manager dieselbe Effizienz und Produktivität bei dem gleichen, oder sogar niedrigeren Budget im Vergleich zu Vorjahr. IT-Zuständige sind konfrontiert mit sinkendem Personal und sinkenden Administrations- und Wartungskosten. Die Kosten für Räume, Strom, HVAC sowie Verkabelungen müssen ebenfalls reduziert werden. All dies gleichzeitig mit besserer Kontinuität, Verfügbarkeit und Sicherheit zu ermöglichen, ist auf alle Fälle eine große Herausforderung. Nun versucht man all diese Probleme durch die Einführung von Virtualisierungstechnologien zu lösen. Virtualisierung ist heutzutage ein großes Thema auf den Technologienkonferenzen geworden. Zahlreiche Technologienanbieter versuchen zu beschreiben, dass ihre Produkte die Virtualisierungstechnologien unterstützen und die beste Lösung dafür anbieten.

Der Begriff „Virtualisierung“ (auf Englisch Virtualization) selber ist eine allgemeine Bezeichnung bezogen auf eine Art Abstraktion von Ressourcen. Damit werden die physikalischen Merkmale der Rechenressourcen vor dem Weg versteckt, durch den andere Systeme, Anwendungen oder Endnutzer mit diesen Ressourcen interagieren. Durch Virtualisierung wird ermöglicht, dass einzelne physische Ressourcen (wie z.B. ein Server, ein Betriebssystem, eine Anwendung oder ein Speichergerät) als mehrfache logische Ressourcen erscheinen, oder mehrfache physische Ressourcen (wie z. B. Speichergräte oder Server) als eine einzelne logische Ressource. Das ist die Technologie für ein funktionales Management von Systemen und Ressourcen ohne Einschränkung der physischen Ausprägung und Lokalisierung.

Aufgrund dieser Eigenschaft ist Virtualisierung ein effektives Verfahren zur Zusammenfassung und Verteilung von IT-Ressourcen, um die dynamischen Geschäftsanforderungen zu unterstützen und Virtualisierung ermöglicht die Transformation zur anpassungsfähigen IT-Infrastruktur.

Allerdings ist Virtualisierung keine neue Erfindung. Als der Pionier im Bereich Virtualisierung hat es IBM schon in den 1960er Jahren ermöglicht, mehrere Betriebssysteme auf ihren Mainframes gleichzeitig auszuführen. Im Jahr 1972 wurde es auf ihrer berühmten Mainframe VM/370 realisiert, virtuelle Maschinen mit verschiedenen Betriebssystemen unter Aufsicht eines Kontrollprogramm -heute als Virtual Maschine Monitor (VMM) oder Hypervisor bezeichnet - gleichzeitig auszuführen. Die Motivation dafür war eine effiziente Ressourcennutzung. Diese Art von Virtualisierung wird auch als Plattform-Virtualisierung bezeichnet. Im Laufe der Zeit haben die Begriffe Virtualisierung sowie virtuelle Maschine jedoch zusätzliche Bedeutungen erworben.

Die Idee von virtuellen Maschinen kam aus der Bemühung um effiziente Nutzung der Hardware-Ressourcen. Durch Entwurf virtualisierungsfähiger Hardware wurden viele Performanceherausforderungen erfüllt. Aber mit der Entwicklung preiswertiger Rechenbetriebsmittel und einer starken Verbreitung der massenproduzierten Hardware war das Thema Virtualisierung langsam veraltet. Das hat sich auch in der x86-Architektur reflektiert. Während der zunehmenden Komplexität der Softwaresysteme ist es üblich geworden, dass eine einzelne Anwendung einen eigenen Server besitzt, um den Konflikt mit anderen zu vermeiden. Dadurch entsteht aber ein neues Problem, nämlich Server-Sprawl. Die Nutzung der Serverkapazität ist immer ineffizienter geworden. Allgemein erkannt ist die durchschnittliche Nutzungseffizienz von Windows-Server lediglich zwischen 5% bis 15%. Durch Einführung neuer Chip-Technologien wird diese noch niedriger. Außerdem werden noch andere Kosten wie Energiekosten und Raumverschwendung verursacht. Das alte Problem ineffizienter Nutzung der Hardware-Ressourcen kehrt wieder zurück.

Es gibt viele Konzepte und Technologien im Bereich Hardware und Software, die diesen Begriff verwenden. Bespiele dafür sind u. a. Hardware- und Software-Partitionierung, teilweise oder komplette Maschinensimulation, Emulation, Time-Sharing, Quality-of-Service. Diese werden für Endgeräte, Server, Betriebssysteme, Anwendungen sowie Netzwerke eingesetzt. Allgemein werden drei Prinzipien dafür unterschieden: Plattform-, Anwendungs- und Betriebsmittel-Virtualisierung, die in folgenden Abschnitten vorgestellt werden.

Zur Realisierung von System-Virtualisierung gibt es unterschiedliche Methoden, z.B. durch Partitionierung von Hardware und Software, Time-Sharing, teilweise oder komplette Maschinen-Simulation, Emulation usw.

Plattform-Virtualisierung:

Typischerweise wird durch Plattform-Virtualisierung auf einem Host-System eine Steuer-Software gestartet, die ein Rechnersystem (virtuelle Maschine) simuliert und auf der eine (Gast-) Software abläuft. In meisten Fällen ist diese Gast-Software ein Betriebssystem. Die Voraussetzungen dafür sind laut Goldenberg: zwei Prozessormodi; eine Methode für nicht privilegierte Programme privilegierte Systemroutinen aufzurufen; Mechanismen für Speicherschutz und -zuteilung wie Paging oder Segmentierung; Asynchrone Interrupts (I/O).

Die Bedeutung der Begriffe „Virtualisierung“ und „Virtueller Maschine“ ist im Laufe der Zeit erweitert worden. Entsprechend der Virtalisierungsformen gibt es verschiedene Arten von VMs, die in folgenden Abschnitten entsprechend dem jeweiligen Virtualisierungsansatz vorgestellt werden:

Hardware Virtuelle Maschine: Durch System-Virtualisierung werden Hardware-VM generiert, die der ursprünglichen Bedeutung von „VM“ entsprechen. Dabei werden eine oder mehrere von einander getrennte virtuelle Ausführungsumgebungen auf einem einzelnen Computer hergestellt, in denen jeweils ein eigenes Betriebssystem auf einer entsprechenden virtualisierten Hardware ausgeführt wird.

Applikation-Virtuelle-Maschine: Diese Art von VM entspricht der Anwendungsvirtualisierung. Dabei wird eine Ausführungsumgebung durch eine Software hergestellt. Die virtuelle Maschine bietet einen einheitlichen Befehlssatz auf jeder Plattform an, auf die sie portiert worden ist. Dadurch wird die auszuführende Anwendung selber ohne Portierung auf verschiedenen Plattformen (z.B. MS Windows, Linus, Mac OSX) lauffähig, ein Beispiel dafür ist SUN JRE (Java VM).

Virtuelle Betriebsumgebung: Diese Art von VM entspricht der Betriebssystem-Virtualsierung. Dabei werden verschiedene sogenannte „Userland-Umgebungen“ auf einem Betriebssystem- Kernel ermöglicht. Diese Technologie wird intensiv von Webhosting-Unternehmen eingesetzt, um ihre Hardware-Ressourcen flexibler und effizienter zu verwalten. Beispiele dafür sind Free-BSD Jails, Linux-VServer, OpenVZ, Virtuozzo, Solaris Container.

Es gibt eine Reihe verschiedener Ansätze zur Realisierung von Plattform-Virtualisierung, die anschließend vorgestellt werden.